[論文レビュー] Fundamental Properties of Full-Duplex Radio for Secure Wireless Communications

Yingbo Hua, Qiping Zhu+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2017

Wireless Communication Security Techniques参考文献 11被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、盗聴者チャネル状態情報の不完全な知識下での、フルデュプレックス無線通信における基本的秘匿容量の分析を目的としている。アリスとボブがフルデュプレックスラジオを用いて秘密鍵を送信すると同時に、自己干渉抑制に適応した電力で未知の盗聴者（Eve）をジャミングするモデルを提案する。主な結果として、好都合な条件下では近場において秘匿容量が漸近的に一定となり、盗聴者の位置が未知であっても、チャネル状態情報が事前に分かっていなくても信頼性の高い安全な通信が可能になることが示された。

ABSTRACT

This paper presents a number of fundamental properties of full-duplex radio for secure wireless communication under some simple and practical conditions. In particular, we consider the fields of secrecy capacity of a wireless channel between two single-antenna radios (Alice and Bob) against an unknown number of single-antenna eavesdroppers (Eves) from unknown locations, where Alice and Bob have zero knowledge (except a model) of the large-scale-fading channel-state-information of Eves. These properties show how the secrecy capacity is distributed in terms of the location of any Eve, how the optimal jamming power applied by the full-duplex radio varies with various parameters, and how bad or good the worst cases are. In particular, these properties show how the quality of self-interference cancelation/suppression affects various aspects of the fields of secrecy capacity. The cases of colluding Eves and non-colluding Eves are treated separately and yet coherently. For non-colluding Eves, asymptotically constant fields of secrecy capacity are revealed. For each of the two cases, we also treat subcases with or without small-scale fading.

研究の動機と目的

• 正当なユーザーが盗聴者の位置および大規模フェージングチャネル状態情報（L-CSI）を完全に知らない状況下で、フルデュプレックス無線通信における基本的秘匿容量を分析すること。
• 残存自己干渉とジャミング電力が、空間的分布における秘匿容量に与える影響を調査すること。
• 小規模フェージングおよび盗聴者の協同の影響が、正の秘匿容量を達成する確率に与える影響をモデル化すること。
• 秘匿容量が盗聴者の位置に依存しなくなる条件を導出し、耐障害的な安全な鍵交換を可能にする。

提案手法

• アリス、ボブ、および任意のEve間のパスロスを、パスロス指数αを用いてモデル化し、距離依存のパスロスと正規化された自己干渉チャネルゲインρを含む。
• 散乱が豊富な環境を表現するため、小規模フェージングにレイリーフェージングモデルを用い、各リンクに対して独立同分布のフェージング係数を採用する。
• ジャミング電力P_Jおよび送信電力P_Tを組み込んだ、盗聴者位置（x,y）の関数としての秘匿容量S_{x,y}を導出する。
• 確率論と確率的幾何学を用いて、S_{x,y} = 0の事象の累積分布関数（CDF）を分析し、秘匿容量がゼロとなる確率を定量化する。
• 非協同的Eve（独立した盗聴）および協同的Eve（連携した盗聴）の2つの状況を検討し、それぞれに異なる数学的取り扱いを行う。
• 特に高送信電力および低残存自己干渉（ρが小さい）条件下で、秘匿容量およびアウトージェ確率の解析的バウンディングを導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 L-CSIが完全に未知の状況下で、盗聴者の未知の位置がフルデュプレックス無線リンクの秘匿容量に与える影響は何か？
• RQ2 残存自己干渉抑制（ρで定量化）が、秘匿容量の分布および信頼性に与える影響は何か？
• RQ3 どのような条件下で、秘匿容量が盗聴者の位置に依存せず、近場領域でほぼ一定となるか？
• RQ4 小規模フェージングが正の秘匿容量を達成する確率に与える影響は何か？ また、この確率を高確率でバウンディングできるか？
• RQ5 不確実性下で正の秘匿容量を達成する確率を最大化する最適なジャミング電力割り当て戦略は何か？

主な発見

• ジャミング電力をP_J = √(P_T / ρ)に設定した場合、高送信電力および低ρ条件下で、近場における秘匿容量は盗聴者の位置にほぼ依存せず、log₂(Ã / (ρ√(B̃₁B̃₂)))という一定値をとる。
• 秘匿容量S_{x,y}が閾値s以下である確率は、Prob{S_{x,y} ≤ s} < (2^s × ρ × π) / 4でバウンディングされ、ρを小さくすることで任意に小さくできる。
• 高送信電力および低残存自己干渉（ρ ≪ 1）条件下では、ランダムな小規模フェージング実現値に対しても、近場における秘匿容量はほぼ一定に保たれる。
• ある条件下で、S_{x,y} = 0の事象のCDFは10⁻⁴未満であることが示され、完全な秘匿アウトージェの確率が極めて低いことが示された。
• 非協同的Eveの場合、近場における秘匿容量フィールドは漸近的に一定値に近づき、盗聴者の位置の不確実性に対して耐性があることが示された。
• 結果から、自己干渉が適切に抑制され、ジャミング電力が最適に調整されていれば、フルデュプレックスラジオは盗聴者の事前知識がなくても、信頼性の高い物理層セキュリティを達成可能であることが示された。